truyỀn ĐỘng ĐiỆn - hcmut.edu.vntcbinh/courses/nhatrang/bai... · mạch cầu h điều...
TRANSCRIPT
ĐẠI HỌC NHA TRANG
Bài giảng
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC
Biên soạn: ThS. Trần Công Binh
THÁNG 8 NĂM 2010
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 1
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC) Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.2: Đặc tính cơ của động cơ Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)
Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC Điều khiển tốc độ động cơ DC Các trạng thái hãm
II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu Giới thiệu Bộ chỉnh lưu 1 pha Bộ chỉnh lưu 3 pha
II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ chopper giảm áp Bộ chopper tăng áp Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư
Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều III.1: Mô hình động của động cơ DC III.2: Bộ điều khiển PID III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC
Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC Điều khiển moment động cơ DC Điều khiển vị trí động cơ DC Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)
Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)
Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha
IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f
Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian
Bộ nghịch lưu ba pha. Vector không gian và hệ toạ độ satator (αβ).
V.2: Hệ qui chiếu quay Hệ toạ độ từ thông rotor (dq). Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq.
V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr).
V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha Điều khiển PID Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha.
V.5: Bộ biến tần Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 2
Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.1.1: Đơn vị của các đại lượng cơ học:
I.1.2: Phương trình moment cơ bản
dtdJMM ccoω
=−
Mcơ > Mc tải cơ tăng tốc. Mcơ < Mc tải cơ giảm tốc. Mcơ = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh. I.1.3: Các thành phần của moment cản Mc:
2mstmsktc .CMM.BMM ω+++ω+=
Mt Moment tải B.ω Moment ma sát nhớt Mmsk Moment ma sát khô Mmst Moment ma sát tĩnh C.ω2 Moment cản của quạt gió làm mát Thông thường, các đại lượng khác khá nhỏ, nên khi bỏ qua: ω+= .BMM tc I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 3
Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,…) (Bơm, quạt,…) I.1.5: Moment quán tính:
∑∑==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ω+=
k
1j
2j
j
n
1i
2i
im 2v
m2
JJJ
Jm moment quán tính của trục động cơ. Ji , ωi moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i. mj , vj khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j. I.1.6: Các chế độ làm việc:
ω
Mt
ωđm
Mđm
ω
Mt
ωđm
m
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 4
a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt. c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Công suất cơ chuyển thành nhiệt.
I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh:
ω>
ω ddM
ddM coc
I.1.8: Thông số của hệ thống điện cơ:
_ Độ cứng đặc tính cơ: ω
=βddM
_ Công suất định mức. …. I.2: Đặc tính cơ của động cơ I.2.1: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC:
I, Mcơ0
ωolt ωo ωđm
Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ
ω
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 5
Kích từ độc lập: ( ) co2u M
kR
kU
Φ−
Φ=ω uco IkM Φ= ωΦ= kE
I.2.2: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp:
Kích từ nối tiếp: kt
ntu
cokt k.kRR
Mk.kU +
−=ω 2uktco Ik.kM =
I.2.3: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ hỗn hợp:
U
Rư
Iu
E
Int
Rnt
I, Mcơ
ω
0
ωolt ωo ωđm
Iđm I0
U
Rư
Iu
E
Ikt Rkt
Ukt
ω Φkt
U
Rư
Iu
E
Int
Rnt
Ikt
Rkt
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 6
Ví dụ 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý tưởng là 1000 vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A. Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính tốc độ và momen điện từ (moment cơ) định mức của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Ví dụ 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 500V, 100A, 1000 vòng/phút. Điện trở phần ứng 1Ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính momen và công suất định mức của động cơ? Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A. Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động cơ khi đó? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên. KPhi = 3.8197 E = 400 Pout = 40000 w = 104.7198 M = 381.9719 HS = 0.7273 Ec = 460 nc = 1150 Poutc = 18400 wc = 120.4277 Mc = 152.7887 HSc = 0.7360 Ikd = 500 Mkd = 1.9099e+003 Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0, 2Ω và điện trở cuộn kích từ là 0,1Ω. Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000 vòng/phút. Khi động cơ vận hành ở định mức : Tính tốc độ và momen của động cơ? Tính công suất và hiệu suất của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? KPhi = 4.1826 E = 438 Pout = 17520 w = 104.7198 M = 167.3037 Pout = 17520 Pin = 18000 HS = 0.9733 Ikd = 1.5000e+003 Mkd = 2.3527e+005 Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω. Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm?
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 7
I.2.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha.
Giả sử Rm << Xm (hay RFE >> Xm):
( )mss
mst XXjR
X.jUU++
= && và ( )
( )mss
mssttt XXjR
X.jX.jRX.jRZ
+++
=+=
Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha khi bỏ qua nhánh từ hoá:
( )2'rs
2'r
s
'r2
s
sco
XXs
RR
sRU3
1M
++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ω=
Rs sI& jXs
sU&
'rI& '
rR jX’r
Mạch tương đương động cơ KĐB
'rR
ss1−
RFe jXm
mI& FeI&
Rs sI& jXs
Rm mI&
sU& jXm
'rI& '
rR jX’r
Mạch tương đương của động cơ KĐB
'rR
ss1−
Rt jXt
tU&
tI&
sR '
r
jX’r
Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator
Rs jXs
sU&
'rI&
sR '
r
jX’r
Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 8
Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0dsdT
= , hay 0dndT
=
( )2'
rs2s
'r
pXXR
Rs++
=
( )2'
rs2ss
2s
smax
XXRR
U231T
+++=
ω
( ) ( )2'
rs2'
rs
'r
2s
sst
XXRR
RU31T+++
=ω
ss
ss
2T
Tp
p
max +=
0 ω ωđm
Mkđ
Mmax
Mcơ
ωs ωp
Mđm
TL A
T
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 9
Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC) II.1.1: Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC
a) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC:
Kích từ độc lập: Φ−
=Φ
=ωk
IRUkE uu
⇒ n~~E ω
( ) co2u M
kR
kU
Φ−
Φ=ω uco IkM Φ=
Φđm
Ikt
Φ
0
I, Mcơ
ω
0
ωolt ωo ωđm
Iđm I0
U
Rư
Iu
E
Ikt Rkt
Ukt
ω Φkt
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 10
b) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp:
Kích từ nối tiếp: kt
ntu
cokt k.kRR
Mk.kU +
−=ω 2uktco Ik.kM =
II.1.2: Điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập a) Điều khiển điện áp phần ứng:
( ) co2u M
kR
kU
Φ−
Φ=ω U giảm ⇒ ω giảm
b) Điều khiển từ thông kích từ:
( ) co2u M
kR
kU
Φ−
Φ=ω Φ giảm ⇒ ω tăng
U
Rư
Iu
E
Ikt Rkt
Ukt
ω Φkt Mcơ
ω
0
ωolt
ωđm
Mđm
U giảm
I, Mcơ0
ωolt ωo ωđm
Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ
ω
U
Rư
Iu
E
Int
Rnt
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 11
Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông
Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua: _ điều khiển điện áp phần ứng U khi: ω < ωđm. _ điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm.
ω
Mcơ
0
Mđm
ωđm
Pđm
Iưđm
Mđm
ωmax
Điều khiển U Điều khiển Φ
U
Rư
Iu
E
Ikt Rkt Ukt
ω Φkt
VR
Mcơ
ω
0
ωolt
ωđm
Mđm
Φ giảm
Pmax ωmax
Mmax
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 12
c) Điều khiển điện trở phần ứng:
( ) co2u M
kR
kU
Φ−
Φ=ω Rư tăng ⇒ ω giảm
d) Khởi động đông cơ DC kích từ độc lập: Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3Iđm). Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3Mđm).
II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập: a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Iư, Mcơ
ω
0
ωolt
ωđm
Iưđm, Mđm
VR tăng
U
Rư
Iu
E
Ikt Rkt
Ukt
ω Φkt
VR
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 13
b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
U
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt Ukt
ω Φkt
Mcơ Mđm
ω
0
ωolt
ωđm
Φ giảm
U giảm
III
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 14
Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt.
c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Công suất cơ chuyển thành nhiệt.
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt Ukt
ω Φkt
Rph
U
Rư Iu
E
Ikt
Rkt Ukt
ω Φkt
Rph
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 15
d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard):
II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu II.2.1: Giới thiệu Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ. Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ, moment,…
Mcơ
U giảm
Mđm
ω
0
ωolt
ωđm
Φ giảm
III
IIII
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 16
Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn sóng. Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn. Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao. Độ méo dạng được định nghĩa:
1
21
2
III
THD−
=
II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha:
π= RMS_phase
tb_dc
U2U
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 17
b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển:
( )α+π
= cos12
U2U RMS_phase
tb_dc
c) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha:
π= RMS_phase
tb_dc
U22U
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 18
d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần:
( )α+π
= cos1U2
U RMS_phasetb_dc
d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần:
απ
= cosU22
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 19
II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha: b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển:
απ
= cos2U233
U RMS_phasetb_dc
c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:
πRMSphase
tbdc
UU _
_
233=
d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần:
( )α+π
= cos12U233
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 20
d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần:
απ
= cosU233
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 21
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 22
Dạng dòng điện ngõ vào:
e) Bộ chỉnh lưu kép 1 pha:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 23
f) Bộ chỉnh lưu kép 3 pha:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 24
II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ biến đổi DC/DC:
Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia làm ba loại: + Bộ tăng áp Uo > Ui (Boost converter). + Bộ hạ áp Uo < Ui (Buck converter). + Bộ tăng - giảm áp (Buck- Boost converter). II.3.1: Bộ chopper giảm áp (lớp A)
TT
UU ON
DC
tb_d =
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 25
E-
+
MOTOR 24VDC
D1
FC307R1
10K
MOSFET
IRF540
R20.1/2W
D2
FC307
24V
KICH MOSFET
22010W
GND_100V
J1
AC24V
12
GND_100V
L1
Q1
IRF460/TO
D6
- +
D1
50A 10W
3
2
1
4
GND_12V
+C1
400V 4700uF
+ C10 D4
30A
CB
13
24
Fast DIODEA-
+
DC
MO
TO
R
12
C9
103 2KV
GND_100V
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 26
II.3.2: Bộ chopper tăng áp (lớp B)
TT1
1UU
ONDC
tb_d
−=
II.3.3: Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp
II.3.4: Bộ chopper kiểu đảo dòng (lớp C)
TT
UU ON
DC
tb_d =
TON
T
DCM
L N C
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 27
II.3.5: Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D)
Cách 1 (S1 và S2 được kích đồng thời, giống lớp C): TT
UU ON
DC
tb_d =
Cách 2 (kiểu đảo áp 1 – S1 và S2 đóng ngắt lệch pha): 1T
T2UU ON
DC
tb_d −=
II.3.6: Mạch chopper kiểu tổng quát (lớp E) Dạng mạch cầu H, điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư.
Điều khiển cách 1 (kiểu đảo dòng): TT
UU ON
DC
tb_d =
Điều khiển cách 2 (kiểu đảo áp 1&2): 1T
T2UU ON
DC
tb_d −=
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 28
Bài tập:
Cho động cơ DC như trên, có điện trở phần ứng 3Ω. Kích từ độc lập không đổi.
a) Điện áp phần ứng được cấp từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần, nguồn 380Vrms, 50Hz. Tính góc kích để động cơ vận hành ở 1/2 điện áp định mức? b) Với điện áp như câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A: Tính tốc độ (vòng/phút)? c) Tính điện áp để động cơ đạt 500 vòng/phút ở 17A. Tính góc kích khi đó? d) Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với bộ chỉnh lưu trên. e) Tính điện áp để dòng điện khởi động bằng dòng 2 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? f) Tính điện áp để MOMENT khởi động bằng dòng 3 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? g) Tính thời hằng điện, biết Lư = 30mH? h) Tính thời hằng cơ, biết J = 0,1 kgm2, B = 0,01?
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 29
i) Tính lại câu a, b với điện áp định mức. j) Tính lại câu c, d với dòng điện 10A. k) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần? l) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần? m) Tính lại toàn bộ các cấu trên với động cơ sau: Udm = 160 %V Kphi = .432692 % Wb Ru = 1.35216 % Ohm Lu= 0.003272 % H J = 0.15 % kg.m^2 B = 0.01
a)
V250cos220.63cosU233
U RMS_phasetb_dc =α
π=α
π=
Ua = 250 alfa = 1.0635 alfa_do = 60.9342
b) Ib = 17 E = 449 Eb = 199 nb = 522.9844 Wb = 54.7668
c) nc = 500 Wc = 52.3599 Ic = 17 Ec = 190.2542 Uc = 241.2542 alfa_c = 1.0828 alfa_c_do = 62.0423
d) Umax = 514.5999 Ed = 463.5999 nd = 1218.4 Wd = 127.5873
Các bộ điều khiển điện áp chỉnh lưu hay chopper cho phép điều khiển vòng hở động cơ một chiều. Chương sau sẽ tình bày phương pháp điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều.
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 30
Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều III.1: Mô hình động của động cơ DC Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập:
Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ.
U = E + Ruiu + Luudi
dt
Trong đó : E = k.φ.ω φkt ≈ kkt.ikt Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ :
Mcơ = Mc + J ddtω + Bω
Trong đó : Mcơ = k.φ.iu J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ. B - Hệ số ma sát Mc - Moment cản quy đổi về trục động cơ. Áp dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, có mô hình động cơ DC:
( ) ( ) ( ) ( )ssILsIRsEsV uuuu ++= ( ) ( )sKsE φω=
( ) ( ) ( ) ( )s.s.Js.BsMsM cco ω+ω+= ( ) ( )sIksM uco φ=
⇒ ( ) ( ) ( )uu
uRsL
sEsVsI+
−=
⇒ ( ) ( ) ( )BJs
sMsMs cco
+−
=ω
Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập:
Ikt
U
Rư
Iư
E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt
Ukt Φkt
ω Lư
uu RsL1+
φ.K
φ.K
BJs1+
( )sω Mco (s)
( )sMc
( )V s I (s)
E (s)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 31
Mô hình động cơ DC trong Matlab/Simulink: III.2: Bộ điều khiển PID
Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID:
u(t) = KP e(t) + KI ∫ dt)t(e + KD dt)t(de
KP: hệ số khâu tỉ lệ. KI: hệ số khâu tích phân. KD:hệ số khâu vi phân.
Biến đổi Laplace:
e(t) u(t) PID
Đối tượng điều khiển
c(t) r(t)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 32
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++== s.T
s.T11K
)s(e)s(u)s(G D
Ip trong đó:
P
DD
I
PI K
KT,KKT ==
Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K p , K i và K D sao cho hệ thỏa đạt được chất lượng tối ưu.
Tóm tắt Vai trò của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID:
Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain): Khi Kp tăng Sai số xác lập giảm Vọt lố tăng Thời gian lên nhanh
Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain): Khi Ki tăng Sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vô sai với hàm nấc) Thời gian đáp ứng chậm
Khâu vi phân tỉ lệ Kd (Derivative gain): Khi Kd tăng Vọt lố giảm Thời gian đáp ứng nhanh Bớt nhấp nhô (dao động)
Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
Đáp ứng bước Vọt lố Dao động
Đáp ứng bước hàm bước 1(t) III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC III.1.1: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC
Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập:
Ikt
U
Rư
Iư
E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω
Rkt Ukt
Φkt
ω
Lư
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 33
Ví dụ: % Thong so dong co DC Udm = 160 %V Kphi = .432692 % Wb Ru = 1.35216 % Ohm Lu=.003272 % H J = 0.15 % kg.m^2 %B = 0.01 B = 0
Đáp ứng vòng hở của động cơ DC
uu RsL1+
φ.K
φ.K
BJs1+
( )sω Mco (s)
( )sMc
( )V s I (s)
E (s)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 34
III.1.2: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC
Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC dùng PID:
• Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt. • Nếu n < ndat thì e > 0. PID sẽ điều khiển TĂNG u để n tăng thêm. • Nếu n ≈ ndat thì e ≈ 0. PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH.
Một hệ thống có hàm truyền bậc hai ( ) 22
2
2 nn
n
ssKsH
ωξωω
++= ,
thì K là độ lợi, ξ là độ giảm chấn, nω là tần số dao động riêng. Khi ξ <1, thì hệ thống có
ndat Động cơ
+ u
_ n
n
PIDtốc độ e
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 35
_ thời gian đáp ứng 2n
p12T
ξωπ−
= , và
_ độ vọt lố ∞
∞ξ−
ξπ− −
==Δk
kke max1 2
.
Đáp ứng vòng kín tốc độ của động cơ DC
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 36
Đáp ứng vòng hở Đáp ứng vòng kín
III.1.3: Điều khiển moment động cơ DC
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 37
III.1.4: Điều khiển vị trí động cơ DC
ωdat Động cơ +
PIDdòng điện u
_
ω
ω
PIDtốc độ +
_ i
ωdat Động cơ +
PIDdòng điện u
_
ω
ω
PIDtốc độ +
_ i
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 38
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-20
0
20
40
60
80
100
120
Time (s)
vi tr
i(von
g)
vi tri datvi tri dong co
Đáp ứng vị trí theo mô hình mô phỏng trên
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Time (s)
toc
do(v
ong/
phut
)
toc do dong cotoc do dat
Đáp ứng tốc độ theo mô hình mô phỏng trên
III.1.5: Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 39
Khởi động mềm Dừng mềm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 40
Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)
IV.1.1: Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha
Rs sI& jXs
Rm
mI&
sU& jXm
'rI& '
rR jX’r
Mạch tương đương của động cơ KĐB
'rR
ss1−
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 41
( )2'rs
2'r
s
'r2
s
sco
XXs
RR
sRU3
1M
++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ω=
Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0dsdT
= , hay 0dndT
=
( )2'
rs2s
'r
pXXR
Rs++
=
( )2'
rs2ss
2s
smax
XXRR
U231M
+++ω=
( ) ( )2'
rs2'
rs
'r
2s
sst
XXRRRU31M
+++ω=
ss
ss
2M
Mp
p
max +=
Rt jXt
tU&
tI&
sR '
r
jX’r
Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator
Rs jXs
sU&
'rI&
sR '
r
jX’r
Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB
0 ω ωđm
Mkđ
Mmax
Mcơ
ωs ωp
Mđm
TL A
T
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 42
Ở tần số cao, bỏ qua Rs khi tính moment cực đại và từ thông làm việc
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
π=Ψ
fU
k21
dq
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+π
=f
RLL2
1s'r
'rs
p
( )2
s'rs
max fU
LL22
3M ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+π
=
Ở tần số thấp, phải xét đến Rs:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 43
IV.1.2: Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha
Không dùng khởi động mềm, moment khởi động tăng đột ngột, dòng khởi động lớn.
Khởi động đông cơ rotor dây quấn bằng điện trở mở máy:
Nối tiếp thêm điện trở rotor sao cho sp = 1, moment khởi động bằng moment cực đại trong khi dòng điện khởi động giảm.
( )
1XXR
RRs2'
rs2s
'kd
'r
p =++
+=
( )2'
rs2ss
2s
smaxkd
XXRR
U231MM
+++ω==
Rs sI& jXs
Rm
mI&
sU& jXm
'rR
jX’r
Khởi động: n = 0: s = 1: Is = Ist
'rI&
0 ω ωđm
Mkđ
Mmax
Mcơ
ωs ωp
Mđm
TL
A
T
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 44
Khởi động động cơ bằng cách giảm điện áp stator:
Giảm điện áp để khởi động mềm, moment khởi động tăng từ từ, dòng khởi động nhỏ.
0 n
T
ns np
A1 A2
A3
Us giảm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 45
Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động:
Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động:
Khởi động Y→Δ giảm dòng và mometn khởi động 3 lần:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 46
Khởi động dùng Bộ khởi động mềm (Thyristor) để giảm điện áp khởi động:
Tăng tốc
Giảm tốc
Hạn dòng
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 47
IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha IV.2.1: Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor Nối tiếp thêm điện trở rotor để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt).
( )2'
rs2s
'nt
'r
pXXR
RRs++
+=
( )2'
rs2ss
2s
smax
XXRR
U231M
+++ω=
U, I UN
Ust Ustop=0,85Ust
0,9UN
IB
I U
tR tB
t tAus
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 48
IV.2.2: Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển giảm điện áp stator để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt).
IV.2.3: Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f Điều khiển thay đổi tốc độ thông qua thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ:
( )s1P
f60n −= . Tuy nhiên phải đảm bảo dmdq f
Uk2
1Ψ≤⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
π=Ψ để mạch từ không bảo hòa.
0 n
M
ns
A1
A2
'rR tăng Mmax
0 n
M
ns np
A1 A2
A3
Us giảm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 49
Khi tần số lớn hơn định mức, điện áp không tăng hơn địn mức được nên từ thông động cơ suy giảm:
Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt,…)
f
V, T
Te
Rs*Ilim TL
fđm
V/f=const Vđm
Tđm
V/f=const
f
V, T
Te
Rs*Ilim
TL
fđm
Tđm
Vđm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 50
Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian V.1.1: Bộ nghịch lưu ba pha.
Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
πRMSphase
tbdc
UU _
_
22=
Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
πRMSphase
tbdc
UU _
_
233=
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 51
Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp DC trung bình là trị đỉnh:
_ Biến tần ngõ vào 1 pha : RMS_phaseU2
_ Biến tần ngõ vào 3 pha : RMS_phaseRMS_line U32U2 = .
Hình 1.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1→S6.
Phương pháp tính mạch điện: Ví dụ 1.1: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF?
A B
C
Udc
n
N
UAN UBN
UCN
AB C
Udc
S4
S3
S6
S5
S2
S1
S7
R
n n
motor
N
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 52
Hình 1.2: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).
II.2. Vector không gian điện áp Đơn vị (Udc)
Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA usα usβ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000 1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0o 2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60 o 3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120 o 4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180 o 5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240 o 6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300 o 7 1 1 1 0 0 0 0 0 0 U7 U111
Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu. Ví dụ 1.2: Tính các điện áp thành phần usα và usβ tương ứng với 8 trạng thái trong bảng 1.1?
Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha Ví dụ 1.3: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:
Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc.
Phương pháp hình học: có hình vẽ
Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator sur ứng với trạng thái (110).
Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha 1_phaseur có độ lớn bằng 2/3Udc và có góc pha là 60o.
Ví dụ 1.4: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator )t(usr ứng với trạng thái
(101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học)
A
surB
C
scur
Udc
saur
sbur
scsbsa uuu rrr++
U2(110)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 53
Xét tương tự cho các trang thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát
3)1k(j
dck eU32U
π−
= với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Hình 1.4: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.
3)1k(j
dck eU32U
π−
= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. U0 và U7 là vector 0.
Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator.
Hình 1.5: Các vector không gian điện áp pha stator.
3)1k(j
dck_phase eU32U
π−
= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6
Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ dàng điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step).
U1 (100)
U2 (110) U3 (010)
U6 (101) U5 (001)
U4 (011)
CCW
CW
U0 (000)
U7 (111)
Up1
Up2 Up3
Up6 Up5
Up4 Up0
Up7 Trục usa
a
b
c
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 54
Hình 1.6: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.
Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha
Hình 1.7: Điều chế biên độ và góc vector không gian điện
áp.
Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong vòng
tròn nội tuyến của lục giác: 3dc
sUu ≤
U1 (100)
us
T1
T2
U2 (110) U3 (010)
U6 (101) U5 (001)
U4 (011)
CCW
CW
U0 (000)
U7 (111)
α
sur
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 55
V.1.2: Vector không gian và hệ toạ độ stator (αβ). a) Vector không gian: Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:
Hình 1.8: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.
(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)
rotor
stator
Pha A
Pha B
Pha C usc
usa
usb
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 56
Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 Trong đó: Với ωs = 2πfs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi.
(điện áp pha là các số thực) Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:
[ ]00 240120 )()()(32)( j
scj
sbsas etuetututu ++=r
(1.4)
A
B
C
N
A
B
C
N
usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 1200) usc(t) = |us| cos(ωst + 1200)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 57
b) Hệ toạn độ satator (αβ).
Hình 1.9: Vector không gian điện áp stator sur và các điện áp pha.
suy ra
V.2: Hệ qui chiếu quay V.2.1: Hệ toạ độ từ thông rotor (dq).
Với dt
d rr
φ=ω (tốc độ quay của từ thông rotor so với stator đứng yên), với φr là góc hợp bởi trục
từ thông rotor (trục d) với trục chuẩn stator (trục α) (là trục cuộn dây pha A).
0
jβ
α
sur
usa = usα
usβusc
usb Cuộn dây pha A
Cuộn dây pha B
Cuộn dây pha C
usa = usα
usb = βα ss u23u
21
+−
usα = usa
usβ = ( )sbsa u2u3
1+
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 58
Hình 1.10: Biểu diễn vector không gian si
rtrên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là hệ
toạ độ dq.
V.2.2: Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq. V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ toạ độ từ thông rotor V.3.1: Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
sir
isβ
Cuộn dây pha A
Cuộn dây pha B
Cuộn dây pha C
0 α
isα
d
jq
isd
isq θ
rψr
ωr =ωa ω
φr
Trục từ thông rotor
Truïc rotor
jβ
∫ dtd r
rφ
=ω
fsd = fsαcosφr + fsβsinφr fsq = - fsαsinφr + fsβcosφr
fsα = fsdcosφr - fsqsinφr fsβ = fsdsinφr + fsqcosφr
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 59
Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha
mLs
Rr
rLσsLσsR
sv
si ri
mi
Hình 2.2: Mạch tương đương của động cơ KĐB ba pha
Các thông số của ĐCKĐB ba pha:
Rs điện trở cuộn dây pha của stator (Ω). Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω). Lm hỗ cảm giữa stator và rotor (H). Lσs điện cảm tản của cuộn dây stator (H). Lσr điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H). P số đôi cực của động cơ. J momen quán tính cơ (Kg.m2).
Các thông số định nghĩa thêm: Ls = Lm + Lσs điện cảm stator. Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor.
Ts = s
s
RL
hằng số thời gian stator.
Tr = r
r
RL hằng số thời gian rotor.
σ = 1 – rs
2m
LLL hệ số từ tản tổng.
stator
Cuộn dây pha A
isa
usa
irA
isc
usc
isb usb
Cuộn dây pha C
Cuộn dây pha B
rotor
irC
irB
stator
ω
θ
Trục chuẩn
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 60
V.3.2: Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr). Trong hệ tọa độ dq, ψrq=0 do vuông góc với vector f
rψr
nên frψ
r=ψrd .
dt
disd = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛σ
σ−+
σ−
rs T1
T1 isd + ωsisq + rd
mrLT1
Ψσ
σ− + sds
uL1
σ
dt
disq = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛σ
σ−+
σ−
rs T1
T1 isq−ωsisd− rd
mL1
Ψωσ
σ− + sqs
uL1
σ
rdr
sdr
mrd
T1i
TL
dtd
Ψ−=Ψ
Khi ψrd = const: sdmrdr iL=ψ=ψ
dt
d rqΨ = 0
và rdslsqr
m iTL
Ψ= ω Khi ψrd = const sd
sq
rsl i
iT1
=ω
sqrdr
mco i
LLP
23M ψ=
dtdJ
dtd
PJMM codien
ccoω
=ω
=−
sqrdr
mco i
LLP
23M ψ=
r
sq
r
msl
iTL
ψω =
Ưu điểm của mô hình ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ αβ:
1. Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian. 2. Hệ phương trình đơn giản hơn (ψrq=0). 3. Phân ly điều khiển từ thông rotor rψ
r và momen Te (tốc độ ω). 4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.
sdr
mrdr i
sT1L+
=ψ=ψ
dtdJ
dtd
PJMM codien
ccoω
=ω
=−
isd → rψr
isq → Mcơ → ω
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 61
V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha V.4.1: Điều khiển PID
Xem phần trước. V.4.2: Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha.
ĐC KĐB
==
3~
Udc
Điều khiển
M 3~
a b c
Nghịch lưu
2=
3
isa
isb isα
isβ rje φ−
isd
isq
φr
αβ → dq abc→ αβ
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 62
ψr , Te , φr=???
K1 , K2 =??? ω, ωmech =???
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 63
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 64
Hình …: Hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng phương pháp FOC.
0 1 2 3 4 5 6 7 8-10
0
10
MT M
e (N
m) momen tai
momen dienmomen tai momen dienmomen dien
0 1 2 3 4 5 6 7 80
0.5
1
Fi r (
Wb)
tu thong dattu thong dap ung
0 1 2 3 4 5 6 7 80
500
1000
time (s)
n (R
PM
)
toc do dattoc do dap ung
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-200
0
200
time (s)
UA
UB
(V
olt)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-10
0
10
I A I B
(A
mpe
re)
dong dien pha Adong dien pha B
dien ap pha Adien ap pha B
Hình …: Đáp ứng của hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha
khi dùng phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2. Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω, Xm = 132Ω. Khi vận hành ở định mức: Tính (biên độ) isd, isq, ψr, ωsl, K1, K2 và tốc độ ωcơ, n?
(Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn )
Rs sI& jXσs
sU&
'rI& '
rR jX’σr
Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ
'rR
ss1−
RFe jXm
mI&FeI&
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 65
f2X
L mm π
= f2
XL s
s πσ
σ = sms LLL σ+= r
ss R
LT =
f2
XL r
r πσ
σ = rmr LLL σ+= r
rr R
LT =
sT1iL
r
sdmrd +
=ψ Từ thông không đổi, ⇒ dsmr iL=Ψ
sdm
e
m
r
r
e
m
rsq iL
TLL
P32T
LL
P32i ==
ψ ⇒ e2
m
rsdsq T
LL
P32ii =
Mà s2ds
2sqs I2iii =+=
Khi biết momen điện Te và dòng điện Is, Từ 2 phương trình trên tính được isd và isq và Ψr.
Chú ý: khi động cơ vận hành ở định mức, thì isd thường nhỏ hơn isq.
Thông thường isd bằng 40-60% Is định mức.
Và tính được rr
qsmsl T
iLΨ
=ω .
Từ đó tính được tốc độ góc trựơt cơ: p
slco_slsl
ωω ==Ω và tính được tốc độ động cơ.
m
rrdrdsd L
sTi
ψψ +=
r
e
r
msq
TLL
p23i
ψ=
sd
sq
rr
rr
qsr
m
sl ii
T1L
T
iLL
=Ψ
=ω
Từ thông không đổi: *
dsm*r iL=Ψ
*e1
*qs TKi = ⇒ *
ds2m
r*e
*qs
1 i1
LL
p32
Ti
K ==
*qs2
*sl iK=ω ⇒ *
dsr
m*rr
m*qs
*sl
2 iTL
TL
iK =
Ψ==
ω vì *
sl*rr
*qsm TiL ωΨ=
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 66
V.5: Bộ biến tần
Bộ điều khiển
Bộ xử lý FOC
PWM
QEP ADC
SCI
I/O
ADC
L3 L2 L1
N L
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 67
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 68
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 69
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 70
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 71
Tốc độ đặt
Tốc độ đặt
Phản hồi tốc độ
+
-
PID
Tín hiệu momen điều ể
Hạn chế
Tốc độ đặt
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 72
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 73
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 74
Bài tập 5.1: Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode). Được cấp nguồn 3 pha 380V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a). a) Tụ lọc nhỏ:
_ dcRMS_lineRMS_phase
tb_dc V513380*23U23U233U =
π=
π=
π=
_ m_fadc
s UV2963
5133
UU ===≤ ?
_ V2102
296U RMS_fa =≤
_ V3633210U RMS_d =≤ 3*sqrt(2)*380/pi/sqrt(3)/sqrt(2)*sqrt(3) b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a). _ dcRMS_linetb_dc V537380*2U2U ===
_ m_fadc
s UV3103
5373
UU ===≤ ?
_ V2192
310U RMS_fa =≤
_ V3803219U RMS_d =≤
Bài tập 5.2: Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 1 pha 220V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode). Được cấp nguồn 1 pha 220V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất?
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 75
b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a).
Bài tập 5.3: Bộ biến tần Nhật 3 pha 220V. Khi đem về Việt Nam thì phải dùng nguồn 1 pha 220V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a).
Bài tập 5.4: Điện áp pha 220Vrms và tần số fs = 50Hz. usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 4ms = 0,004s, Tính usa, usb, usc, usα , usβ và biên độ điện áp sur ? us = 311.1270 usa = 96.1435 usb = 208.1846 usc = -304.3281 us_afa = 96.1435 us_bta = 295.8993
Bài tập 5.5: Điện áp pha 220Vrms và tần số fs = 50Hz. usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 3ms = 0,003s, a) Tính usa, usb, usc, usα , usβ và biên độ điện áp sur ? b) Tính usd , usq biết góc hệ toạ độ quay (trục d) là 30o?
|us| = 311.1270
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 76
usa = 182.8759 usb = 126.5467 usc = -309.4226 us_afa = 182.8759 us_bta = 251.7070 gama = 54.0000 theta = 30 v = 0.5236 usd = 284.2286 usq = 126.5467
Bài tập 5.6: Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2. Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω, Xm = 132Ω. Khi vận hành ở định mức: Tính (biên độ) isd, isq, ψr, ωsl, K1, K2và tốc độ ωcơ, n,?
mLs
Rr
rLσsLσsR
sv
si ri
mi
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 77
ωcơ = ωs - ωsln(mech) = 2*π*f/P – 7.1337 = 2*π*50/2 – 7.1337 = 150(rad/s)
πω=
260n co
Bài tập 5.7: Cho động cơ không đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A. Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối của mã số sinh viên). Trong hệ tọa độ từ thông rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính:
a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq).
b) Độ lớn từ thông rotor |ψr| ? c) Tốc độ trượt ωsl và tốc độ động cơ n ? d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ?
Cho biết động cơ có các thông số: Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Lσs = 0,043H, Lσr = 0,04H, Lm = 0,42H. Ket qua _________________________________________________________ Te = 4.00 a) id = 1.302790 (chọn isd < isq!, thông thường ở định mức, isd bằng 20-40% Is định mức)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 78
a) iq = 2.668846 b) PHIr = 0.547172 c) Wsl = 28.056382 d) n = 1366.040644 e) K1 = 0.667211 e) K2 = 4.415272 Bài giải: clc clear all % Cau5 P = 2 U_line = 380 %V, Noi Y Is_RMS = 2.1 %A f = 50 %Hz Rs = 10 %Ohm Rr = 6.3 Lxs= 0.043 Lxr= 0.04 Lm = 0.42 Te = 4.00 %Te = 5.00 Lr = Lm + Lxr Tr = Lr/Rr disp('Bai giai _________________________________________________________') % a) isd, isq idiq = 2/3/P*Lr/Lm/Lm*Te is = sqrt(2)*Is_RMS % id^2 + (idiq/id)^2 = is^2 % Hay id^4 - (is^2)*id^2 + idiq^2 = 0 a = 1 b= -is^2 c = idiq^2 delta = b^2 - 4*a*c id2 = (-b-sqrt(delta))/2/a iq2 = (-b+sqrt(delta))/2/a id = sqrt(id2) % id < iq iq = sqrt(iq2) % b) PHIr PHIr = Lm*id % c) Wsl Wsl = Lm*iq/(Tr*PHIr) % d) n ns = 60*f/P n = ns - 60/2/pi*(Wsl/P) % e) K1, K2 K1 = iq/Te K1 = 2/3/P*Lr/Lm/Lm/id K2 = 1/Tr/id K2 = Wsl/iq %delta disp('Ket qua _________________________________________________________') TEXT = sprintf('a) id = %f', id); disp(TEXT) TEXT = sprintf('a) iq = %f', iq); disp(TEXT) TEXT = sprintf('b) PHIr = %f', PHIr); disp(TEXT) TEXT = sprintf('c) Wsl = %f', Wsl); disp(TEXT) TEXT = sprintf('d) n = %f', n); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K1 = %f', K1); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K2 = %f', K2); disp(TEXT)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 79
Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha VI.1: Động cơ đồng bộ 3 pha.
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
Flux Φ fns
N
S
A+
B+
C+ B-
A-
C-
A
B
C
N
N
S
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 80
θe
αe
X
Axe bobine a a'
a
a'
γe
Axe bobine b b'
Axe bobine c c'
b
b'
c
c'Axe inducteur
N
S
N S
A-
B+
A+ C+
C-
B-
A
B
C
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 81
VI.2: Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr).
Ký hiệu: f2s πω = pΨ từ thông rotor (nam châm vĩnh cửu).
s
sdsd R
LT = với Lsd là điện cảm dọc trục.
s
sqsq R
LT = với Lsq là điện cảm ngang trục.
sdsd
sqsd
sqssd
sd
sd uL1i
LL
iT1
dtdi
++−= ω
sq
pssq
sqsq
sqsd
sq
sds
sq
Lu
L1i
T1i
LL
dtdi Ψ
−+−−= ωω
psdsdsd Li Ψ+=ψ
sqsqsq Li=ψ
Ua
Ra jXs
Ia If
Rf Uf
Φaf Eaf
n
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 82
( )sdsqsqsdco iiP23M ψψ −=
dt
dJMM cocco
ω=−
VI.3: Điều khiển FOC động cơ đồng bộ ba pha.
isd → sψr
isq → Mcơ → ωco
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 83
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 84
Tài liệu tham khảo:
1. Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, “Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2008. 2. Nguyễn Văn Nhờ, “Cơ sở Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2003. 3. Nguyễn Phước Vĩnh Tùng, “Biến Tần ALTIVAR”, Schneider Electric, 2010. 4. Bài giảng điện tử của Siemens. 5. Lê Minh Phương, Bài giảng “Truyền Động Điện”, ĐH Bách Khoa TP.HCM. 6. Trần Công Binh, Bài giảng “Kỹ Thuật Điện 2”, ĐH Bách Khoa TP.HCM. 7. Trần Công Binh, Bài giảng “Hệ Thống Điều Khiển Sô” , ĐH Bách Khoa TP.HCM. 8. Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển động cơ một chiều” , ĐH Bách Khoa TP.HCM. 9. Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển các máy điện xoay chiều” , ĐH Bách Khoa
TP.HCM. 10. Tài liệu từ internet.